(57)【要約】【課題】回転する機械、特に蒸気タービンのための、ロータ（１０，２０，３０）において、密度が減じられた金属構造体、例えば金属発泡体の利点を利用して、遠心力及び温度差による負荷に関して、より高い負荷にさらすことのできるものを提供する。【解決手段】ロータ（１０，２０，３０）の少なくとも部分領域（１６，２３）が、密度を減じられた、微細に分配された多数の中空室（３１）を有する金属構造体から構成されているようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する機械、特に蒸気タービンのための、ロータ（１０，２０，３０）において、該ロータ（１０，２０，３０）の少なくとも部分領域（１６，２３）が、密度を減じられた、微細に分配された多数の中空室（３１）を有する金属構造体から構成されていることを特徴とする、回転する機械、特に蒸気タービンのためのロータ（１０，２０，３０）。
【請求項２】
密度を減じられた金属構造体が、金属発泡体を有している、請求項１記載のロータ。
【請求項３】
金属発泡体が、鋼発泡体である、請求項２記載のロータ。
【請求項４】
金属発泡体が、ニッケルをベースとした合金の発泡体である、請求項２記載のロータ。
【請求項５】
金属構造体が、閉じられた表面を有している、請求項２から４までのいずれか１項記載のロータ。
【請求項６】
密度を減じられた金属構造体が、中空室（３１）を形成した状態で交差する、互いに結合された、特に溶接、ねじ止め又はリベット締めされた薄板（２４，２５）を有している、請求項１記載のロータ。
【請求項７】
密度を減じられた金属構造体を有する部分領域（１６）が、ロータ（１０，２０，３０）に一体成形されている、請求項１記載のロータ。
【請求項８】
密度を減じられた金属構造体を有する部分領域（１６）が、別個のエレメントとして形成されており、残りのロータ（１０，２０，３０）に結合されている、請求項１記載のロータ。
【請求項９】
前記別個のエレメント（１６）が、残りのロータ（１０，２０，３０）に、少なくとも形状接続的に結合されている、請求項８記載のロータ。
【請求項１０】
別個のエレメント（１６）が、残りのロータ（１０，２０，３０）に溶接されている、請求項８記載のロータ。
【請求項１１】
別個のエレメント（１６）が、残りのロータ（１０，２０，３０）に、収縮嵌めによりつなぎ合わされている、請求項８記載のロータ。
【請求項１２】
密度を減じられた金属構造体を有する部分領域（１６）が、該部分領域（１６）に結びついた重量低減及び／又は減じられた熱伝導率が有利となるロータ（１０，２０，３０）の箇所に設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のロータ。
【請求項１３】
ロータ（１０，２０，３０）が、補償ピストン（１５）を有しており、該補償ピストン（１５）に外側に環状に延びる形で、密度を減じられた金属構造体を有する部分領域（１６，２３）が設けられている、請求項１２記載のロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転する機械の分野に関連している。本発明は、回転する機械、特に蒸気タービンのためのロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンのロータは、遠心力及び温度差により大きい負荷にさらされている。主に遠心力はロータの構成可能な直径を制限し、温度差は、ＬＣＦ（Ｌｏｗ  Ｃｙｃｌｅ  Ｆａｔｉｇｕｅ：低サイクル疲労）負荷に基づき耐用寿命を減じる。
【０００３】
これまではロータは、リングとリングとを溶接したロータにおいて生じるような、大きい中空室を部分的に使用して、特に鋼合金より作製される（例えば、国際公開第２００４／１０１２０９号パンフレット参照）。
【０００４】
さらに金属を発泡し、これにより、多孔性の金属構造体を作製することが公知である。数多くの試みがアルミニウム発泡体によりなされた（例えば、ＵＳ−Ｂ１−６，８４０，３０１号（アメリカ再審査証明書）明細書参照）。同様に発泡は原理的にあらゆる金属において可能であり、したがって、鋼でも可能であることが公知である（アメリカ特許公開第６，２６３，９５３号明細書参照）。この場合に、金属発泡体は閉じられた表面を有している。したがって、発泡構造は外側からは見ることができない。
【特許文献１】国際公開第２００４／１０１２０９号パンフレット
【特許文献２】ＵＳ−Ｂ１−６，８４０，３０１号（アメリカ再審査証明書）
【特許文献３】アメリカ特許公開第６，２６３，９５３号明細書
【特許文献４】アメリカ特許公開第４，６６１，０４３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、ロータにおいて、密度が減じられた金属構造体、例えば金属発泡体の利点を利用して、遠心力及び温度差による負荷に関して、より高い負荷にさらすことのできるものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題を解決した本発明による手段によれば、ロータの少なくとも部分領域が、密度を減じられた、微細に分配された多数の中空室を有する金属構造体より構成されていることが重要である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によるロータの第１の構成が、密度を減じられた金属構造体が金属発泡体を有しており、この金属発泡体が鋼発泡体又はニッケルをベースとした合金の発泡体であり、金属構造が閉じられた表面を有していることを特徴とする。
【０００８】
択一的な第２の構成が、密度を減じられた金属構造体が、中空室を形成した状態で交差する、互いに結合された、特に溶接、ねじ止め又はリベット締めされた多数の薄板を有していることにより優れている。
【０００９】
密度を減じられた金属構造体を有する部分領域は、ロータの製造プロセスでロータに一体成形されていてよい。
【００１０】
しかしながら、密度を減じられた金属構造体を有する部分領域が別個のエレメントとして形成されており、残りのロータに結合されており、この場合に別個のエレメントが残りのロータに少なくとも形状接続的に結合されており、かつ／又は残りのロータに溶接されているか、又は収縮嵌めにより残りのロータにつなぎ合わされていることも可能である。
【００１１】
密度を減じられた金属構造体を有する部分領域は、有利にはこの部分領域に結びついた重量低減及び／又は減じられた熱伝導率が有利であるロータ箇所に設けられている。特にロータが補償ピストンを有している場合には、この補償ピストンに、外側に環状に延びる形で、密度を減じられた金属構造体を有する部分領域が設けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に本発明の実施の形態を図面につきさらに詳しく説明する。
【００１３】
図１には、簡易化された縦断面図で、蒸気タービンのための本発明によるロータの第１実施例が示されている。このロータ１０はロータ軸線１８に対してほぼ回転対称的になっている。このロータ１０は中実に図示されているが、しかしながら、内部には中空室を有していてもよい。ロータ１０は両方のロータ端部１１，１３にローラ継手１２，１４を有しており、これらのロータ継手１２，１４により、ロータ１０は軸又はこれに類するものに結合することができる。ロータ１０の中央の区分には翼配列１７が設けられており、この翼配列１７では、蒸気タービンを貫流する蒸気が作業を行う。この場合に生じる軸線方向の剪断力を補償するためには、ロータ１０には公知のように（アメリカ特許公開第４，６６１，０４３号明細書）補償ピストン１５が設けられている。
【００１４】
本発明によるロータが、いま部分的又は完全に金属発泡体、有利には鋼発泡体より成っているか、又は極めて高温の場合にはニッケルをベースとした合金の発泡体より成っている。部分的には金属発泡体より成っており、部分的には発泡されていない金属より成っているロータの構造が有利である。この場合に発泡されていない、すなわち従来の金属は、特に翼遠心力に基づき高く負荷されている箇所で使用される。発泡された金属は、特にこの発泡された金属に結びついた重量節約による効果、又はこの発泡された金属に結びついた低い熱伝導率に基づく効果が有利となる箇所で使用される。図１に示したように、このような箇所がまず第１に補償ピストン１５である。
【００１５】
例えば、１変化実施例では、ロータ１０の、補償ピストン１５の領域内に外側に環状に延びる部分領域１６が金属発泡体より作製され、しかしながら、ロータ中央部は発泡されていない金属より作製される（図１、図２及び図３）。
【００１６】
金属発泡体が、ロータの選択された箇所でのみ望まれる場合には、採用プロセスに基づきロータ内に局部的にのみ形成することができる（図１）。又は金属発泡体は別個に作製され、次いでまずロータに結合される（図２及び図３）。
【００１７】
しかしながら、金属発泡体の代わりに、微細に分配された中空室を有する別の金属構造を使用することもできる（図４及び図５の部分領域２３）。例えば、このような中空室構造は、交差する薄板を溶接することにより形成することができる（図５）。
【００１８】
補償ピストンの上に述べた構造は次のような利点を有している。補償ピストンの減じられた重量に基づき、ローラ中央の遠心力負荷が著しく減じられている。しかしながら、ロータのロータ中央部が発泡されていない金属より成っている場合には、しかしながら、そこでは従来のロータと等しい負荷に耐えることができる。これにより、より一層大きい補償ピストンが実施可能である。
【００１９】
さらに、気泡に基づき、発泡体内の熱伝導率が減じられている。特に流入部の領域内に位置決めされており、それ故、最も熱い蒸気により周囲を流れられる補償ピストンの、金属発泡体より成る表面の領域では、遙かにわずかな熱がロータ内へもたらされる。これにより、熱的な負荷が減じられ、これにより、ロータの耐用寿命が増大する。さらに、ロータ内への比較的低い熱の導入により、補償ピストンの場合にはピストン側のロータ端部（図１の符号１１）及びロータ中央部では温度がより低く、これにより、ロータの剛性がそこではさらに増大さえする。
【００２０】
図１は、補償ピストン１５の環状の部分領域１６に金属発泡体を有する、本発明の実施例を示している（図１には断面されたロータの上半分が示されている）。部分領域１６の表面では金属発泡体は閉じられており、これにより、内側の（多孔性の）金属構造は外部からは見ることができず、蒸気は金属発泡体の細孔内へは進入することができない。
【００２１】
別の実施例が図２及び図３に示されている。上に説明した図１の実施例と同様に、補償ピストン１５の外側領域に設けられた部分領域１６は金属発泡体により充填されている。しかしながら、この領域はここでは残りのロータ２０とは別個に作製された構成部分であり、この構成部分は溶接継ぎ目２２によりロータ２０に気密に結合されている。さらにこの発泡された構成部分１６は、半径方向内側に設けられた境界面１９で、形状接続的な（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）結合を介してロータ２０に結合されており、これにより、ロータ２０の回転時に作用する遠心力を金属発泡体１６からロータ２０へ伝達することができる。図３はこのような形状接続的な結合部を、補償ピストン１５の横断面図で示している。発泡された構成部分１６を残りのロータ２０とは別個に作製することは、残りのロータ２０を、材料欠陥に関して超音波を用いてより良好に検査することができるという利点を有している。
【００２２】
第３実施例では、気密な溶接継ぎ目２２が補償ピストン１５に向かい合った溶接継ぎ目２１により代替される。ほかの点では第２実施例と同一である。
【００２３】
第４実施例は、図３による形状接続的な結合及び図２による溶接継ぎ目２１，２２の代わりに、部分領域１６がいまや収縮嵌めによりロータ２０に載置されているという相違点を除いては第２実施例及び第３実施例と同じである。
【００２４】
図４は第５実施例を示している。多孔性の金属発泡体の代わりに、ここでは補償ピストン１５の外側の部分領域２３には、微細に分配された複数の中空室３１を設けられた金属構造体が使用されており、この金属構造体は、本実施例では境界面１９でロータ３０に収縮嵌めされている。
【００２５】
図５は、金属構造体を有する部分領域２３を拡大して示している。この部分領域２３は外側をより厚い外側薄板２６，２７，２８，２９により取り囲まれており、内部には垂直方向の平面及び水平方向の平面により、薄い内側薄板２４若しくは２５が取り付けられている。本実施例では、内側薄板２４，２５は全て溶接により互いに結合されているが、溶接継ぎ目は図５には示されていない。
【００２６】
第６実施例は第５実施例に対応しているが、しかしながら、中空室構造体の内側薄板２４，２５はねじ止めにより互いに結合されている。
【００２７】
第７実施例は同様に第５実施例に対応しているが、しかしながら、金属構造体の内側薄板２４，２５はリベット締めにより互いに結合されている。
【００２８】
内側薄板２４，２５の数及び分配及びこれにより形成された中空室３１の大きさ及び分配は、部分領域２３の機械的な安定性及び熱伝導率のためには重要である。これらは要求に応じて選択及び規定する必要がある。同様のことが、部分領域（図１，図２の符号１６）のために金属発泡体が使用される場合の細孔の大きさ及び分配についてもいえる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】補償ピストンを有する蒸気タービンのための本発明によるロータの第１実施例の概略的な縦断面図である。
【図２】補償ピストンを有する蒸気タービンのための本発明によるロータの第２実施例の図１に比較可能な縦断面図である。
【図３】図２による補償ピストンの横断面図である。
【図４】補償ピストンを有する蒸気タービンのための本発明によるロータの第３実施例の図１に比較可能な縦断面図である。
【図５】図４の外側の補償ピストン部分領域の金属構造体を拡大した縦断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０，２０，３０  ロータ（蒸気タービン）、  １１  ロータ端部（ピストン側）、  １２  ロータ継手（ピストン側）、  １３  ロータ端部（排蒸気側）、  １４  ロータ継手（排蒸気側）、  １５  補償ピストン、  １６，２３  部分領域（補償ピストン）、  １７  翼配列、  １８  ロータ軸線、  １９  境界面、  ２１，２２  溶接継ぎ目、  ２４，２５  内側薄板、  ２６，２７，２８，２９  外側薄板、  ３１  中空室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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